Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle : LENA - UPR 640 CNRS Introduction à l’Imagerie Cérébrale Fonctionnelle : Line Garnero Laboratoire de Neurosciences Cognitives & Imagerie Cérébrale CNRS UPR640 Centre de Magnétoencéphalographie Philippe Ciuciu UNAF/ CEA SHFJ Orsay

Sommaire Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Principes physiologiques LENA - UPR 640 CNRS Sommaire Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Principes physiologiques Les différentes techniques - principes physiques - analyse des données Applications - Neurologie - Sciences Cognitives

Imagerie Cérébrale Fonctionnelle LENA - UPR 640 CNRS Imagerie Cérébrale Fonctionnelle Etude du cerveau en action Répondre aux questions Où et Quand ? Domaine de Recherche entre Sciences de la Vie et Physique, Mathématiques et Informatique Applications : recherche en Sciences Cognitives : recherche clinique (neurologie)

Les différentes méthodes LENA - UPR 640 CNRS Les différentes méthodes Méthodes invasives - imagerie optique (chez l’animal) - électrodes intracérébrales (animal et patients) Neuropsychologie - étude de déficits en corrélation avec des lésions Méthodes non invasives - imagerie métabolique et hémodynamique (TEP et IRMf) - imagerie électrique et magnétique (MEG et EEG)

Propriétés de diverses techniques d’investigation cérébrale LENA - UPR 640 CNRS Propriétés de diverses techniques d’investigation cérébrale milliseconde seconde minute heure jour non-invasif invasif cerveau aire colonne couche neurone dendrite synapse Log Temps (sec) Log Résolution (mm) MEG+PE IRM TEP lésions imagerie optique microscopie potentiels de champs locaux microlésions 2-déoxyglucose

Historique 1850 : Etude des lésions (Aire de Broca) LENA - UPR 640 CNRS Historique 1850 : Etude des lésions (Aire de Broca) 1929 : Premier EEG (Hans Berger) 1968 : Premières mesures en MEG 1972 : Tomographie par Emission de Positons TEP 1980 – 89 : Essor de la TEP 1990 : Apparition de l’IRM fonctionnelle 1990- : Commercialisation de systèmes MEG

Bases physiologiques de l’ I. C. F. LENA - UPR 640 CNRS Bases physiologiques de l’ I. C. F. Neuronal Potentiel d’action Métabolisme Synthèse d’ATP consommation de Glucose et O2 PPSE - PPSI Intracellulaire ou extracellulaire TEP EEG - MEG Hémodynamique Déoxygénation Augmentation Du Débit Sanguin TEP IRMf D’après B. Mazoyer

Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) LENA - UPR 640 CNRS Electroencéphalographie (EEG) et Magnétoencéphalographie (MEG) MEG : mesure du champ magnétique. Ordre de grandeur : 10-13 tesla Capteurs : SQUID couplés à des bobines Appareillage très coûteux Mesurent l ’activité électrique neuronale Imagerie non invasive Résolution temporelle ~1ms EEG : mesure du Potentiel électrique. Ordre de grandeur : quelques microvolts Capteurs : électrodes Appareillage très répandu

ORIGINE DU SIGNAL MEG et EEG LENA - UPR 640 CNRS ORIGINE DU SIGNAL MEG et EEG

POTENTIELS NEURONAUX Potentiel Postsynaptique Potentiel d ’action I LENA - UPR 640 CNRS POTENTIELS NEURONAUX Potentiel Postsynaptique I Dipôle de courant microscopique Q = I x d = 20 fAm Durée 10ms Potentiel d ’action 2 courants opposés : front de polarisation + dépolarisation Durée 1ms Quadrupôle : Décroissance en 1/r3

POTENTIEL POST SYNAPTIQUE LENA - UPR 640 CNRS POTENTIEL POST SYNAPTIQUE Action d ’un neurotransmetteur : Permeabilité : courant Na+ entrant Permeabilité : courant K+ sortant l : longueur de décroissance du courant = 0.1 mm l rs : résistance intracellulaire = 1012 W DV : ddp le long de la dendrite = 25 mV DV Dipôle de courant Q Q= I l = DV l / rs = 20 fAm Durée temporelle : 10 ms

COURANTS MACROSCOPIQUES LENA - UPR 640 CNRS COURANTS MACROSCOPIQUES Sommation des activités simultanées d ’un grand nombre de neurones Boucles fermées Pas de courant macroscopique Noyaux Boucles ouvertes courant macroscopique Cortex Cellules pyramidales

Courants macroscopiques LENA - UPR 640 CNRS Courants macroscopiques Dipôle de courant Macrocolonne corticale 105 à 106 neurones Q =I x d ~10 à 100 nAm I Dipôle radial (gyrus) tangentiel (sillon) Dipôles sur la surface corticale

Courants secondaires ou de conduction LENA - UPR 640 CNRS Courants secondaires ou de conduction

CHAMPS RESULTANTS CHAMP ELECTRIQUE CHAMP MAGNETIQUE LENA - UPR 640 CNRS CHAMPS RESULTANTS CHAMP ELECTRIQUE CHAMP MAGNETIQUE

LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES EEG MEG Potentiel < 0 Champ< 0 Champ>0 Potentiel > 0

QUELQUES NOTIONS D’INSTRUMENTATION LENA - UPR 640 CNRS QUELQUES NOTIONS D’INSTRUMENTATION

INSTRUMENTATION EEG 1er EEG : Hans Berger 1929 - sur patient trépané LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION EEG 1er EEG : Hans Berger 1929 - sur patient trépané Système 10- 20 Système 64 à 128 électrodes casque d ’électrodes

INSTRUMENTATION MEG Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG Ordre de grandeur des champs magnétiques cérébraux

INSTRUMENTATION MEG 1er MEG : Cohen -MIT 1968 LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG 1er MEG : Cohen -MIT 1968 - avec de nombreux bobinages 1972 : apparition des squids Capteur magnétique Supraconducteur 4°K (refroidi à l ’hélium liquide) 1980 : Systèmes 7 à 37 capteurs couverture partielle de la tête 1990 : Système casque intégral, ~150 capteurs Enregistrement MEG + EEG simultané

INSTRUMENTATION MEG Principe de la mesure en MEG Détection : LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG Principe de la mesure en MEG Détection : bobines réceptrices de flux + transformateurs de flux : squids SQUIDS : dispositif supra Basse T (refroidi à l ’hélium liquide)

INSTRUMENTATION MEG - Correction LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG - Correction Gradient d ’ordre supérieur avec capteurs de référence Chambre blindée : parois de mu-métal

INSTRUMENTATION MEG - Le Système LENA - UPR 640 CNRS INSTRUMENTATION MEG - Le Système

LENA - UPR 640 CNRS LES SIGNAUX MEG et EEG

LES REPONSES DE LA MEG ET DE L ’EEG LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES DE LA MEG ET DE L ’EEG Données spatiotemporelles MEG EEG

REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG LENA - UPR 640 CNRS REPONSE SIMULTANEE MEG ET EEG MEG EEG Réponse auditive 100 millisecondes après l ’arrivée du son

LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES LENA - UPR 640 CNRS LES REPONSES TOPOGRAPHIQUES EEG MEG Potentiel < 0 Potentiel > 0 Champ>0 Champ< 0

LES DIFFERENCES DE PROPAGATION LENA - UPR 640 CNRS LES DIFFERENCES DE PROPAGATION MEG EEG Cortex Face externe de l ’os

DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF LENA - UPR 640 CNRS DIFFERENCES ENTRE MEG ET EEG : RECAPITULATIF MEG EEG Mesure le champ magnétique Réponse dipolaire perpendiculaire à la direction du dipôle Réponse focale Peu affecté par tissus cérébraux Sélectif pour sources tangentielles Peu sensible aux sources profondes Appareillage coûteux Mesure le potentiel électrique Réponse dipolaire parallèle à la direction du dipôle Réponse diffuse Très affecté par les tissus sensible à toutes orientations sensible aux sources profondes Appareillage moins cher

LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX

ANALYSE DES SIGNAUX : Activité spontanée LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX : Activité spontanée Les différents rythmes - alpha : 8 - 13 Hz (occipital) - mu : 7 - 11 Hz (mouvement) - beta : 18 - 30 Hz (moteur) - gamma : 30 - 50 Hz - delta : 0.5 - 4 Hz (sommeil) Les signaux épileptiques - pointes intercritiques - EEG ictal (crise)

ANALYSE FREQUENTIELLE LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE FREQUENTIELLE Analyse temps - fréquence des signaux 100 ms 40 Hz (Rodriguez et col., 1999, Tallon - Baudry) Analyse des synchronies Amplitude Filtre + Ondelette Phase Lachaux,.(Human Brain Mapping, 1999)

ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels évoqués LENA - UPR 640 CNRS ANALYSE DES SIGNAUX : Potentiels évoqués Moyennage synchronisé à 1 stimulus (Dawson 1937) Les différentes réponses (latence et amplitude) Nomenclature : - Nxxx : onde EEG négative pointant à xxx ms - Pxxx : onde EEG positive - Mxxx : onde MEG ……..pointant à xxx ms N145 P100

Influence du nombre d ’essais LENA - UPR 640 CNRS Influence du nombre d ’essais 1 essai 10 essais 50 essais

Influence du nombre d ’essais LENA - UPR 640 CNRS Influence du nombre d ’essais 100 essais 400 essais 1600 essais

TOPOGRAPHIE DES REPONSES MEG LENA - UPR 640 CNRS TOPOGRAPHIE DES REPONSES MEG Cartographie MEG : Interpolation linéaire entre capteurs sur le casque 2D 3D

TOPOGRAPHIE DES REPONSES EEG LENA - UPR 640 CNRS TOPOGRAPHIE DES REPONSES EEG Cartographie EEG : Interpolation entre capteurs par fonctions splines Cartographie de la densité de courant : I = - sDV avec D : laplacien de surface Intérêts : * indépendant de la référence * focales pour sources proches * atténuation des sources profondes

LA LOCALISATION DES SOURCES DE L’EEG et LA MEG LENA - UPR 640 CNRS LA LOCALISATION DES SOURCES DE L’EEG et LA MEG

J? IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION LENA - UPR 640 CNRS IMAGERIE MEG-EEG : LOCALISATION Reconstruire dans le temps et l ’espace les sources neuronales à l ’origine des signaux MEG et EEG mesurés en surface Problème inverse J?

LOCALISATION : Difficultés LENA - UPR 640 CNRS LOCALISATION : Difficultés Problème direct : géométrie complexe du milieu de conduction : peau, os , LCR, cortex peu de données solution non unique instabilité des solutions au bruit Problème inverse :

PROBLEME DIRECT : les modèles de tête LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME DIRECT : les modèles de tête Modèle sphérique Modèle réaliste homogène par couches Modèle réaliste inhomogène Intégrales de frontière Méthode des Eléments Finis Méthode des Différences finies inhomogènes ou anisotropes Calcul analytique de B et V B indépendant des conductivités Milieux isotropes et homogènes B dépend uniquement du centre de la sphère Maillage surfacique [Meijs et al, 1987, 1989] Maillage volumique [Hämäläinen & Sarvas, 1989] [Marin, 1998] [Lemieux, 1996] [de Munck, 1988] [Sarvas, 1987]

PROBLEME INVERSE : les approches LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : les approches Approches dipolaires Trouver un ou plusieurs dipôle(s) “équivalent(s)” dont les paramètres sont à estimer à partir des données OU Imagerie de la densité corticale de courant Estimation des amplitudes de dipôles de courant distribués au préalable sur la surface corticale (sources distribuées)

Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE Paradigme : Stimulations sensitives des doigts (400 par doigt) en MEG Droit Gauche Latence à 40 ms Index Petit Doigt

PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire MEG LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire MEG

SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE : Somatotopie des doigts Distance entre doigt ~ 0.9 cm Distance I - V ~ 1.5 cm petit doigt majeur index pouce

SOMESTHESIE : Application clinique LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE : Application clinique Contrôle Patient Dystonique

DESORGANISATION versus score clinique LENA - UPR 640 CNRS DESORGANISATION versus score clinique S. Meunier, L. Garnero B. Renault M. Vidailhet, Annals of Neurology, 2001

PE auditifs ou PEA Dipôles de la N100 LENA - UPR 640 CNRS - Mise en évidence d ’une tonotopie : variation de localisation avec la fréquence

Tonotopie en fonction de la fréquence LENA - UPR 640 CNRS PE auditifs ou PEA Tonotopie en fonction de la fréquence

VISUEL : Rétinotopie du champ visuel LENA - UPR 640 CNRS VISUEL : Rétinotopie du champ visuel H L U M110 Localisation du dipôle dépend de la position du stimulus dans le champ visuel

PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : Modèle dipolaire Limitations - Connaissance a priori du nombre de dipôles - Nombre limité de régions actives - Modèles adaptés aux composantes précoces Quantification de l’extension spatiale problématique

Imagerie de la densité de courant corticale LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : Modèles distribués Imagerie de la densité de courant corticale Distribution de dipôles de courant à la surface du cortex Proche du modèle physiologique Il ne reste à estimer que l’amplitude des sources G est fixée par la contrainte corticale de la position des sources Les sources sont positionnées aux sommets du maillage cortical  Très nombreuses ( 10 000 mini.)

La solution ne dépend pas continûment des données LENA - UPR 640 CNRS PROBLEME INVERSE : Modèles distribués Problème inverse mal posé Il n’admet pas de solution unique Imposé pas les lois de la Physique (von Helmoltz) Trop d ’inconnues : problème indéterminé La solution ne dépend pas continûment des données Très sensible aux perturbations régulariser le problème inverse

Main gauche SOMESTHESIE : quantification des aires Contrôle Patient LENA - UPR 640 CNRS SOMESTHESIE : quantification des aires Main gauche Contrôle Patient

EPILEPSIE MEG EEG LENA - UPR 640 CNRS Enregistrement MEG/EEG de l ’activité intercritique chez un patient épileptique MEG EEG

EPILEPSIE : Résultats de localisation MEG LENA - UPR 640 CNRS EPILEPSIE : Résultats de localisation MEG Modèle distribué Régions les plus souvent activées sur 23 pointes Modèle dipolaire sur 23 pointes 1 dipôle par pointe

Localisation MEG (averaged spikes) LENA - UPR 640 CNRS Imagerie dynamique Localisation MEG (averaged spikes) L R

Fusion MEG-EEG (averaged spikes) LENA - UPR 640 CNRS Fusion MEG/EEG Fusion MEG-EEG (averaged spikes)